Подключение акселерометра к arduino: настройка и код программы

Аналоговые акселерометры ADXL337, ADXL377 и Arduino

ADXL337 и ADXL377 – это компактные, тонкие, маломощные 3-х осевые акселерометры, которые на выходе дают аналоговый сигнал в вольтах.

Основная разница между этими акселерометрами – диапазон измерений. ADXL337 измеряет ускорения в диапазоне ±3 g, а ADXL377 работает в диапазоне ±200 g и может использоваться для измерения более резких изменений движений контролируемого объекта, может использоваться для оценки вибраций.

Эта статья поможет вам разобраться с особенностями использования данных акселерометров. Будут раскрыты вопросы подключения акселерометров к Arduino. В результате вы легко и непринужденно сможете их интегрировать в любой ваш проект.

На фото ниже приведены платы с установленными акселерометрами:

Обзор и технические характеристики акселерометров ADXL337 и ADXL377

Акселерометры ADXL337 и ADXL377 можно (и рекомендуется!) покупать уже интегрированными в отдельный модуль. На модуле предусмотрена необходимая минимальная обвязка и готовые контакты для подключения к Arduino или другому микроконтроллеру.

Как видите, на обоих модулях одинаковое количество контактов. В таблице ниже приведена краткая информация о каждом из контактов на модулях:

Питание акселерометров ADXL337 и ADXL377

Здесь надо быть предельно осторожным. ADXL337 и ADXL377 оба должны запитываться максимальным напряжением 3.6 В! Это напряжение подается к контакту питания и к контакту Self Test. Можно использовать Arduino 5 В или 3.3 В для считывания значений с отдельных осей акселерометра, а запитывать сам датчик ускорения от 3.3 В. Но не забывайте, что значения, которые вы получите с сенсора после аналогово-цифрового преобразования будут разными при 5 В и при 3.3 В! Поэтому надо уточнять диапазоны в зависимости от сигнала преобразования.

Одним из достоинств акселерометров ADXL337 и ADXL377 является то, что они потребляют мало тока для работы. Обычно это около 300 мА.

Необходимые пояснения по использованию ADXL337 и ADXL377

Если вы запитываете ADXL337 или ADXL377 от 3.3 В, значение 1.65 В на контакте оси X будет соответствовать ускорению 0 g. Если на пине X у вас показания напряжения составляют 3.3 В, то на ADXL337 это значит, что сила составляет 3g. В то время как при показаниях 3.3 В на ADXL377 означают, что нагрузка составляет 200g. По сути оба чипа используются и подключаются одинаково, но показания будут разными, так как они зависят от максимально допустимых значений, которые считывает акселерометр.

На модуле ADXL377 предусмотрены 4 отверстия для крепежа, так как этот датчик ускорения рассчитан на более экстремальные условия нагрузок.

На обоих модулях установлены конденсаторы на 0.01 мкФ возле выходов на оси X, Y, и Z. То есть, максимальные частоты, в пределах которых вы можете оценивать ускорение составляет 500 Гц.

Пример подключения к Arduino

Распайка

Перед тем как устанавливать акселерометр на макетную плату и подключать к Arduino, вам надо припаять контакты. Это могут быть отдельные рельсы или просто провода. Что именно распаивать зависит исключительно от того, где в дальнейшем вы планируете использовать датчик ускорения.

Если вы планируете использовать макетную плату или монтажную плату с расстоянием между контактами 0.1″, рекомендуем припаять прямую рельсу контактов с выходом типа папа. Если в планах у вас подключать акселерометр сразу к контроллеру, без макеток и монтажных плат, используйте провода.

Подключаем акселерометр к Arduino

В этом примере мы рассмотрим как можно использовать контроллер Arduino Uno для сбора и обработки данных с модуля акселерометра ADXL337 или ADXL377. Так как выходной сигнал с датчика аналоговый, нам надо подключить три контакта с отдельных осей координат к контактам ‘Analog In’ на Arduino. На рисунке ниже показана схема подключения модуля ADXL337. ADXL377 подключается так же.

Запитать акселерометр можно с помощью контакт 3.3 В и GND на Arduino. Контакты осей X, Y, и Z с датчика подключаются к ADC пинам (A0, A1, и A2 в рассматриваемом примере). Пин self test (ST) можно не подключать, а можно подключить к земле (GND). Если вы хотите использовать ST контакт для двойной проверки функционирования сенсора, подключите его к 3.3 В. Для дополнительной информации по этому поводу можете ознакомится с даташитами сенсоров: ADXL377 и ADXL377.

Программа для Arduino

После того как вы подключили акселерометр к Arduino, можно перейти к программированию. Полный скетч вы можете скачать с Github. Ссылка для ADXL337 и для ADXL377. Единственное отличие в этих скетчах – значение переменной scale.

Первые две строки кода в скетче служат для настройки параметров под ваш модуль датчика ускорения:

int scale = 3; boolean micro_is_5V = true;

Значение переменной scale устанавливается равным максимальному значению измеряемой силы g. Для ADXL337 это значение устанавливается равным 3, а для модели ADXL377 переменная принимает значение 200, так как сенсоры обеспечивают диапазоны измерений ±3g и ±200g соответственно. Переменной micro_is_5V присваивается значение true, если используется контроллер с 5 В (например, Arduino Uno) и значение false,using если вы используете контроллер на 3.3 В (например, Arduino Pro Mini). Это важный параметр, который напрямую влияет на дальнейшую интерпретацию данных с сенсора.

После этого используем функцию setup() для инициализации серийного соединения. Благодаря этому мы сможем выводить показания в окно серийного монитора Arduino IDE.

В пределах функции loop(), мы собираем данные с датчика, масштабируем их для отображения в единицах измерения силы g и отображаем в окне серийного монитора изначальные и преобразованные данные. Для начала давайте взглянем на то, как считываются данные с датчика ускорения.

int rawX = analogRead(A0);

int rawY = analogRead(A1);

int rawZ = analogRead(A2);

Для того, чтобы получить числовое значение в диапазоне от 0 до 1023, которые соответствуют напряжению на входах Arduino, мы используем аналоговые входы A0, A1, и A2 и несколько считываемых значений. Эти значения напряжений отражают последнее измеренное значение ускорения с сенсора. Например, если ADXL337 показывает 3.3 В на контакте X, это означает, что сейчас ускорение вдоль оси X составляет +3g. Причем зависит это от вашей модели контроллера. Если вы используете микроконтроллер 3.3 В, считываемые аналоговые значения будут возвращать 1023 и храниться в переменной rawX. Если вы используете микроконтроллер 5 В, возвращаемые аналоговые значения будут равны 675. Храниться они будут в той же переменной. Именно поэтому важно корректно настроить переменную micro_is_5V, чтобы мы знали как правильно интерпретировать текущие показания.

Зная напряжение вашей платы Arduino, мы можем масштабировать полученные int значения и получить показания измерений в единицах измерения g. Ниже приведен кусок куда, с помощью которого мы приводим полученные показания к необходимым единицам измерения:

float scaledX, scaledY, scaledZ; // масштабированные значения для каждой оси

if (micro_is_5V) // микроконтроллер работает с 5 В

> else // микроконтроллер 3.3 В

Масштабированные значения хранятся в виде типа данных float. После этого мы проверяем, какой у нас контроллер (3.3 В или 5 В), с помощью булевой переменной micro_is_5V. По результатам проверки мы масштабируем целое значение x – rawX и превращаем его в значение со знаком после запятой, которое соответствует силе g. Переменная для хранения новых значений называется scaledX. То же самое мы делаем для осей Y и Z. Детально рассматривать эти оси мы не будем, так как процесс преобразования совершенно идентичный. Важно запомнить, что на Arduino 5 В мы получаем 675 при напряжении на пине 3.3 В, а Arduino 3.3 В интерпретирует измерения, которые соответствуют 3.3 В в виде значения 1023.

Функция mapf(), которая используется в скетче, работает так же как и стандартная Arduino функция map(). Основная причина, по которой используется именно mapf( ) – она может работать с десятичными значениями, а стандартная функция – только с целыми типа int.

После преобразования, мы выводим в окно серийного монитора текущие и преобразованные данные. Вероятно, вас будут интересовать только преобразованные, масштабированные значения ускорения, но потоковые данные оставлены специально, чтобы вы могли их сравнить с результатом и лучше понять принцип работы акселерометра. Часть кода, которая отвечает за вывод данных по каждой из осей чувствительности акселерометра ADXL337 или ADXL377 приведена ниже:

// выводим в окно серийного монитора текущие показания акселерометра по осям чувствительности X,Y,Z

Serial.println(rawX); // выводим преобразованные показания с акселерометра по осям X,Y,Z

Это позволяет нам увидеть данные в двух видах.

Перед снятием новых показаний, делаем задержку:

В примере выставлена задержка в 2 секунды (2000 миллисекунды), так как мы просто выводим показания сенсора в окно серийного монитора в целях ознакомления с акселерометром. В реальных проектах вы можете считывать данные с датчика с частотой 500 Гц. То есть, значение задержки можно сократить вплоть до 2 миллисекунд.

После этого возвращаемся в начало нашего цикла loop().

Надеемся, что эта статья поможет вам освоить работу акселерометров в связке с Arduino и вы используете полученные знания в ваших личных проектах. Кстати, с помощью акселерометра вы можете определять не только ускорение, но и перемещения, которое совершает объект. Подробная статья по определению угловых перемещений с помощью акселерометра и гироскопа: Arduino и MPU6050 для определения угла наклона.

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!

Подключение 3-осевого акселерометра MMA7455L к платформе Arduino

Freescale MMA7455L

MMA7455L – это 3-осевой датчик ускорения (акселерометр) с цифровым выходом производства компании Freescale, который позволяет определять направление движения в пространстве. Микросхема выполнена в 14-выводном корпусе LGA, но в нашем проекте используется готовый миниатюрный модуль с установленной микросхемой и необходимыми внешними компонентами (Рисунок 1). Поддержка двух типов выходного цифрового интерфейса делает устройство простым совместное использование с микроконтроллерами. Дополнительно, микросхема имеет два программируемых выхода прерываний (INT1, INT2), которые могут использоваться для определения нулевого ускорения, свободного падения или импульсного воздействия на датчик.

Рисунок 1. Внешний вид модуля с установленным акселерометром MMA7455L. Доступен для заказа на сайте store.open-electronics.org.

Основное применение датчика ускорения: мобильные телефоны, планшетные ПК, схемы стабилизации изображения, игровые консоли и аксессуары, охранные системы автомобилей, лабораторные инструменты и приборы, электрические машины и роботы.

Чувствительность акселерометра (±2g, ±4g и ±8g) и тип выходного интерфейса (SPI, I 2 C) выбираются пользователем. Обратите внимание, в техническом описании на микросхему сказано, что она боится статического электричества (несмотря на то, что имеет встроенную ESD защиту 2 кВ), поэтому при работе с ней нужно быть осторожным.

Готовый модуль доступен для заказа от различных производителей и дистрибьюторов, они имеют различный форм-фактор, но подключение и протокол обмена данными с акселерометром одинаковый.

Модуль имеет очень компактные размеры (10×18×3.6 мм) и 7 штыревых выводов с шагом 2.54 мм, что позволяет подключить его к палате Arduino или установить на любую макетную или печатную плату (Рисунок 2). Напряжение питания для модуля должно быть в диапазоне 2.5 – 3.6 В.

Рисунок 2. Модуль акселерометра MMA7455L с устанволенными компонентами.

Принципиальная схема модуля (Рисунок 3).

Как было сказано выше микросхема MMA7455L поддерживает передачу данных по одному из двух доступных интерфейсов SPI или I 2 C. Если используется I 2 C, то вход CS (вывод 7) необходимо подключить к питанию. В нашем модуле по умолчанию используется интерфейс I 2 C.

Рисунок 3. Принципиальная схема модуля акселерометра MMA7455L.

Единственное, что необходимо сделать пользователю перед использованием модуля в своих приложениях – установить корректное напряжение питание интерфейса ввода/вывода микросхемы, чтобы обеспечить совместимость уровней сигналов с микроконтроллером. Для этого служит перемычка J1, включенная между плюсом питания и входом VIO (вывод 1) микросхемы. Если напряжение питания модуля и микроконтроллера одинаковое, то перемычку необходимо установить. Если же микроконтроллер, к примеру, имеет напряжение питания 5 В, то перемычку необходимо удалить, а на вывод VIO подать напряжение 5 В. Акселерометру на шине I 2 C присвоен адрес h1D (см. техническое описание на микросхему).

Модуль подключается к плате Arduino, как показано на Рисунке 4 (6-контактный порт аналоговых входов). При этом на линии порта A0 устанавливается логическая “1” (5 В), чем мы задаем уровень сигналов ввода/вывода (VIO), а на линии порта A1 устанавливаем логический “0”, этот порт используем в качестве минуса источника питания акселерометра. Питание 3.3 В также поступает с платы Arduino (Рисунок 5, отдельный провод). Линии порта A4 и A5 используются для обмена данными.

Рисунок 4. Установка модуля акселерометра на плату Arduino. Используется порт аналоговых входов.
Рисунок 5. Отдельный провод для подачи на модуль питания 3.3 В.

Обмен данными акселерометра с микроконтроллером основывается на функциях программных библиотек Wire.h и MMA_7455.h, которые вместе с примерами доступны для скачивания в разделе загрузок.

Для проверки корректного функционирования акселерометра и демонстрации была разработана программа для ПК в среде Processing. В окне программы отображается трехмерный куб, который повторяет движения сенсора.

Демонстрационное видео

Загрузки

Исходные коды примеров, библиотеки (две версии MMA_7455.h, Arduino IDE), программа для ПК – скачать

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Ардуино: акселерометр MPU6050

Акселерометр — это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Подробно об устройстве этого датчика мы уже рассказывали на одном из уроков: Акселерометр: что это такое и как им определять наклон тела

На этот раз мы перейдем от теории к практике: подключим датчик к Ардуино, и напишем пару программ для работы с ним. Подключать будем модуль MPU6050 от RobotClass.

В основе этого модуля лежит микросхема MPU6050, в которой размещаются сразу два датчика: акселерометр и гироскоп. На плате уже имеется вся необходимая обвязка, а также преобразователь напряжения.

Характеристики модуля MPU6050 ROC:

  • напряжение питания: от 3,5 до 6 В;
  • потребляемый ток: 500 мкА;
  • ток в режиме пониженного потребления: 10 мкА при 1,25 Гц, 20 мкА при 5 Гц, 60 мкА при 20 Гц, 110 мкА при 40 Гц;
  • диапазон: ± 2, 4, 8, 16g;
  • разрядность АЦП: 16;
  • интерфейс: I2C (до 400 кГц).

На плате имеется 8 контактов:

  • VCC — положительный контакт питания;
  • GND — земля;
  • SDA — линия данных I2C;
  • SCL — линия синхроимпульсов I2C;
  • INT — настраиваемое прерывание;
  • AD0 — I2C адрес; по-умолчанию AD0 подтянут к земле, поэтому адрес устройства — 0x68; если соединить AD0 к контактом питания, то адрес изменится на 0x69;
  • XCL, XDA — дополнительный I2C интерфейс для подключения внешнего магнитометра.

Подключение MPU6050 к Ардуино

Соединим контакты датчика с Ардуино Уно согласно стандартной схеме для интерфейса I2C:

MPU6050 ROC GND VCC SDA SCL
Ардуино Уно GND +5V A4 A5

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Программа для получения сырых данных с акселерометра MPU6050

Составим программу, которая будет каждые 20 миллисекунд получать данные из MPU6050 и выводить их в последовательный порт.

Для работы программы потребуются библиотеки: MPU6050 и I2Cdev, ссылки на которые можно найти в конце урока.

Загружаем программу на Ардуино и открываем окно графика. Поворачиваем датчик вокруг оси X на 90 градусов в одну сторону, потом на 90 в другую. Получится примерно такая картина.

На графике хорошо видно, что при наклоне оси Y вертикально, акселерометр выдает значения близкие к 4000 тысячам. Откуда берется это число?

Точность измерения ускорения в MPU6050

Дело в том, что датчик MPU6050 позволяет настраивать точность измерений. Можно выбрать один из четырех классов точности: ±2G, 4G, 8G и 16G, где 1G — это одна земная гравитация. Используемая нами библиотека по-умолчанию настраивает датчик на диапазон ±8G (прим. по ссылке внизу статьи библиотека по-умолчанию устанавливает ±2G).

С другой стороны, MPU6050 имеет 16 разрядный АЦП. 2 в степени 16 даст нам число 65 536. Поскольку датчик может измерять и отрицательное и положительное ускорение, то он будет выдавать нам числа от -32768 до +32768.

Сложив эти два факта вместе получаем, что при таких настройках 1G будет равен числу 4096 (ну а -1G равен числу -4096). Это вполне совпадает с наблюдаемыми на графике значениями!

Следующий шаг — преобразование этих странных чисел в привычные нам углы, измеряемые в градусах.

Программа для вычисления угла наклона акселерометра MPU6050

Добавим в предыдущую программу вычисление угла поворота датчика вокруг оси X:

Загружаем программу в Ардуино и снова пробуем вращать датчик. Теперь на графике отображается угол наклона в градусах!

Ну вот, мы получили уже что-то пригодное для дальнейшего использования. Видно, что датчик поворачивался сначала на 30 с лишним градусов в одну сторону, потом примерно на 60 в другую. Работает!

Заключение

На этом уроке мы получили с датчика MPU6050 сначала сырые данные, а потом и угол его наклона в градусах. Это большое достижение. Но впереди еще немного математики и еще более крутые результаты! Будем делать комплементарный фильтр, который позволит работать с датчиком даже в условиях вибрации и тряски.

Подключаем гироскоп-акселерометр (MPU-6050) к плате Arduino

Технический рынок наполнен тысячами модулями датчиков, которые стоят недорого и используются в проектном конструировании. Перед этим модули связывают с программируемым микроконтроллером. Акселерометр – инструмент, использующийся для расчета разности между настоящим и гравитационным ускорением предмета. Датчик состоит из платы со встроенной микросхемой.

Прибор применяют везде. Статья ниже – вспомогательная инструкция по подключению акселерометра к Ардуино.

Шаг 1. Компоненты для подключения акселерометра к Arduino

Для проекта понадобятся несколько компонентов:

Микроконтроллер Arduino UNO R3

МК создан с использованием материалов контроллера ATmega328:

  1. цифровые входы и выходы в количестве 14 штук, причем половина приходится на ШИМ-выходы;
  2. аналогичные входы, количество – 6 штук;
  3. резонатор на основе кварца, мощностью 16 МГц;
  4. встроен usb-вход;
  5. контакт для подключения питания;
  6. на МК располагается кнопка, с помощью которой возможен сброс данных и кода;
  7. контакт для программирования данных, находящихся внутри схемы, именуемый ICSP.

Старт работы начинается с подачи электрического питания в плату. Пользователь подключает к плате со схемой блок питания или зарядное устройство. Также процедура осуществляется с помощью usb-кабеля, который подключен к компьютеру и микроконтроллеру. Для разработки программы понадобится бесплатная среда программирования – Arduino IDE.

Пользователь создает в бесплатной среде код, затем его компилирует и загружает проработанную программу в пространство памяти в Ардуино. Язык, на котором программируется код, Wiring максимально приближен к популярному среди программистов языку – C++. Кроме того МК поддерживает версии для осей Виндовс, Мак ОС и Линукс.

Модуль датчика для гироскопа акселерометра на Аrduino с 3 осями – GY-521 (MPU-6050)

В основе компонента лежит микросхема MPU-6050. В комплект входят 2 предмета – гироскоп и акселерометр. Данные устройства перед конструированием обрабатываются и затем переносятся прямиком в микроконтроллер через интерфейс

Модуль датчика помогает определять место и перемещение инструмента в пространстве. Измеряются дифферент и углы крена посредством вектора силы тяжести и скорости в процессе вращения. Также включена функция измерения температурного режима. Перемещение определяется линейным ускорением и угловой скоростью. Полная картина рисуется по 3 осям.

Компонент нередко сравнивают с человеческим вестибулярным аппаратом, который помогает людям чувствовать силу тяготения и удерживать равновесие.

Макетная плата, предназначенная для прототипирования

Отладка – неотъемлемая часть построения электронных схем. Макетная плата незаменима для конструкции электронной аппаратуры. Ранее в изобретательстве использовали традиционные макетные платы, но сейчас широко распространены макетные платы, которые удобны тем, что не требуют дополнительных спаек.

Таким образом, процесс сборки и отладки электронной схемы в разы ускоряется: не приходится часто использовать паяльник, чтобы поменять сломанные радиодетали.

Материал для изготовления беспаечных макетных плат – пластик. Кроме того, все контакты надежно скреплены к плате, поэтому частые переключения не испортят элемент.

Соединительные провода папа-папа

Обычные провода папа-папа нам подойдут, еще их называют провода-перемычки. Такие стоят недорого и продаются везде, на любом рынке или в любом онлайн-магазине для радиолюбителей.

Шаг 2. Схема подключения акселерометра к микроконтроллеру Arduino

Порядок и схема подключения довольно просты:

GY-521 (MPU-6050) Arduino Uno
VCC 3.3 V
GND GND
SCL A5
SDA A4
  1. Присоединяем модуль датчика к микроконтроллеру.
  2. На МК Ардуино загружаем проработанный код, представленный в разделе ниже.
  3. Открываем среду разработки Arduino IDE и мониторим последовательный порт.
  4. Сверяем выводимые данные акселерометра и гироскопа.
  5. Во время поворота датчика сведения не производят изменений.

Гироскоп – инструмент, который позволяет измерить реакцию тела на перемещение углов и вообще ориентации. Акселерометр же служит измерителем проекции ускорения, которое только кажется.

Шаг 3. Программируем Arduino для обработки информации, полученной с акселерометра

Алгоритм написания программы в последовательности:

Вуаля! Акселерометр Аrduino запрограммирован.

В принципе, для разнообразия можно написать еще один скетч (ниже), но тогда нам нужна будет еще одна библиотека – Kalman (Gy-521, mpu6050), которая преобразует показания координат X и Y.

После второго скетча вы на экране сможете увидеть подобные цифры:

Заключение

Модуль датчика – устройство, которое широко используется во многих сферах человеческой жизни. С помощью датчика приводят в норму полет квадрокоптера, потому что гироскоп и акселерометр часто применяются в совокупности.

Модуль помогает скоординировать различные электронные устройства. Например, часто прибор встраивают в детектор движения и систему ориентирования, которая встраивается в роботы для управления. Другие подобные устройства с поддержанием сенсорной функции пользуются успехом в иных областях.

Источники:

http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=146946

http://robotclass.ru/tutorials/arduino-accelerometer-mpu6050/

http://arduinoplus.ru/podkluchaem-akselerometr-k-arduino/

http://arduinoplus.ru/pokupaem-na-aliexpress/

Ссылка на основную публикацию